基于“兩區(qū)”劃定的農(nóng)田數(shù)字化管理方法研究

陳禮鵬，吳良茹，郭正廳，李 奇

（1.畢節(jié)市農(nóng)田建設(shè)服務(wù)中心，貴州 畢節(jié) 551700；2.金沙縣農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)發(fā)展服務(wù)中心，貴州 畢節(jié) 551800）

0 引言

農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的發(fā)展離不開大數(shù)據(jù)分析[1]、農(nóng)業(yè)機(jī)器人技術(shù)[2-3]、農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)[4-6]、人工智能[7]、農(nóng)業(yè)遙感[8]等技術(shù)的推動?！皟蓞^(qū)”劃定是基于農(nóng)田大數(shù)據(jù)管理技術(shù)數(shù)字化管理，保護(hù)國家糧食安全生產(chǎn)提出的，它對促進(jìn)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)技術(shù)的發(fā)展、加快農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化進(jìn)程具有重要意義。通過對“兩區(qū)”數(shù)據(jù)的管理，融入大數(shù)據(jù)云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)，未來的農(nóng)業(yè)將會向著數(shù)字化、信息化、精準(zhǔn)化方向發(fā)展。

“兩區(qū)”是指糧食生產(chǎn)功能區(qū)和重要農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)保護(hù)區(qū)，糧食生產(chǎn)功能區(qū)包括玉米、水稻、小麥生產(chǎn)種植區(qū)[9]，全國建設(shè)任務(wù)為9 億畝（1 畝=0.067 hm2），其中玉米4.5 億畝、水稻3.4 億畝、小麥3.2 億畝，含水稻和小麥復(fù)種區(qū)0.6 億畝、小麥和玉米復(fù)種區(qū)1.5 億畝，如圖1 所示。水稻種植優(yōu)勢區(qū)主要分布在長江中下游、華北、華南、西南、東北地區(qū)；小麥種植優(yōu)勢區(qū)主要分布在黃淮海地區(qū)、長江中下游、西北及西南地區(qū)；玉米種植優(yōu)勢區(qū)主要分布在松嫩平原、三江平原、遼河平原、黃淮海地區(qū)[12]。

圖1 糧食生產(chǎn)功能區(qū)任務(wù)面積（單位：億畝）

重要農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)保護(hù)區(qū)包括大豆、棉花、油菜、糖料蔗、天然橡膠種植[9]，全國建設(shè)任務(wù)為2.38 億畝，其中大豆1 億畝、油菜0.70 億畝、棉花0.35 億畝、天然橡膠0.18 億畝、糖料蔗0.15 億畝，含水稻和油菜籽復(fù)種區(qū)0.60 億畝、小麥和大豆復(fù)種區(qū)0.20 億畝，如圖2 所示。大豆種植優(yōu)勢區(qū)主要分布在東北、黃淮海地區(qū)，油菜種植優(yōu)勢區(qū)主要分布在長江流域，棉花種植優(yōu)勢區(qū)主要分布在新疆、黃河流域，天然橡膠種植優(yōu)勢區(qū)主要分布在海南、云南、廣東，糖料蔗種植優(yōu)勢區(qū)主要分布在廣西、云南。當(dāng)前，全國已完成10.58 億畝的劃定目標(biāo)和建設(shè)任務(wù)，糧食生產(chǎn)功能區(qū)的劃定有效保障了國家糧食安全和重要農(nóng)產(chǎn)品供給，使得中國人自己的飯碗端得更加牢固，農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)安全得到顯著增強(qiáng)[10-12]。

圖2 重要農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)保護(hù)區(qū)任務(wù)面積（單位：億畝）

“兩區(qū)”劃定是在永久基本農(nóng)田、農(nóng)村土地承包經(jīng)營權(quán)確權(quán)登記、國土“三調(diào)”等成果的基礎(chǔ)上開展的劃定[12]，要求耕地地塊相對集中連片、權(quán)屬清晰，根據(jù)地塊四至范圍、面積、權(quán)屬等信息，制作矢量圖斑。平原地區(qū)集中連片區(qū)域單個(gè)圖斑原則上不低于500畝，丘陵山區(qū)相對集中連片區(qū)域單個(gè)圖斑原則上不低于50 畝。畢節(jié)市平均海拔在1 000 m 左右，屬于典型的丘陵山區(qū)，基本上無天然橡膠、糖料蔗種植，因此畢節(jié)市“兩區(qū)”劃定主要是玉米、小麥、水稻糧食生產(chǎn)保護(hù)區(qū)劃定和油菜重要農(nóng)產(chǎn)品保護(hù)區(qū)劃定。本文著重以貴州省畢節(jié)市“兩區(qū)”劃定為例，分析研究“兩區(qū)”劃定的方法，提出“兩區(qū)”數(shù)字化管理模型。

1 畢節(jié)市“兩區(qū)”劃定

畢節(jié)市“兩區(qū)”劃定面積總計(jì)為糧食生產(chǎn)功能區(qū)面積為265 萬畝，其中水稻45 萬畝、小麥55 萬畝、玉米195 萬畝；油菜重要農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)保護(hù)區(qū)面積為40 萬畝，全部與水稻復(fù)種。具體“兩區(qū)”劃定區(qū)域分布如表1 所示。

表1 畢節(jié)市“兩區(qū)”劃定區(qū)域分布單位：萬畝

續(xù)表

2 材料與方法

2.1 材料和工具

2.1.1 材料

“兩區(qū)”劃定材料主要包括永久基本農(nóng)田矢量圖斑、土地利用現(xiàn)狀、農(nóng)村土地承包經(jīng)營權(quán)確權(quán)登記成果、國土“三調(diào)”、農(nóng)業(yè)發(fā)展規(guī)劃等建設(shè)資料，包括各渠道實(shí)施的農(nóng)田建設(shè)、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)配套服務(wù)、水利規(guī)劃等相關(guān)建設(shè)項(xiàng)目的圖像及矢量圖斑。

2.1.2 工具及步驟

計(jì)算機(jī)、導(dǎo)航定位系統(tǒng)、卷尺、相機(jī)等量算和記錄工具；計(jì)算機(jī)采用普通聯(lián)想臺式電腦（內(nèi)存8 GB，主頻2.90 GHz）；移動硬盤，容量500 G，接口為USB 3.0；內(nèi)業(yè)處理軟件運(yùn)用ArcGIS 10.6；Matlab 16.0 圖像處理軟件；運(yùn)用SPSS 21.0 作為數(shù)據(jù)分析軟件、數(shù)據(jù)庫軟件，質(zhì)量檢查軟件采用“兩區(qū)”劃定質(zhì)檢軟件（官方）。

1）圖件測制：運(yùn)用內(nèi)業(yè)處理軟件ArcGIS 10.6 將圖件資料進(jìn)行疊加比對和綜合分析，確定“兩區(qū)”片塊和地塊邊界，制作內(nèi)業(yè)底圖。

2）預(yù)編碼：ArcGIS 10.6 制作的圖件中的片塊和地塊進(jìn)行預(yù)編碼，制成“兩區(qū)”劃定工作底圖，導(dǎo)出“兩區(qū)”片塊和地塊空間位置、數(shù)量、邊界，實(shí)地調(diào)研中，運(yùn)用相機(jī)和紙筆做好記錄和圖件粗修正。

3）數(shù)據(jù)建庫：運(yùn)用ArcGIS 10.6 軟件制作分布圖，進(jìn)行數(shù)據(jù)建庫。

4）成果分析：運(yùn)用SPSS 分析劃定成果數(shù)據(jù)，對誤差進(jìn)行分析，并對劃定成果進(jìn)行質(zhì)量檢查，合格后開展上圖入庫，并做好后期成果管理。

2.2 “兩區(qū)”劃定方法

“兩區(qū)”劃定方法步驟分為：圖件繪制、底圖制作、實(shí)地勘查、面積量算、分布圖編制、數(shù)據(jù)建庫、成果管理。圖3 為畢節(jié)市“兩區(qū)”劃定流程。

圖3 畢節(jié)市“兩區(qū)”劃定流程

3 結(jié)果與分析

按照“兩區(qū)”劃定方法，最終劃定結(jié)果如表2所示。在水稻劃定面積中：金沙縣“兩區(qū)”劃定面積最大，為12 萬畝，威寧縣劃定面積最小，為0 畝；小麥劃定面積中：織金縣和納雍縣“兩區(qū)”劃定面積最大，為10 萬畝，百里杜鵑和金海湖新區(qū)劃定面積最小，為1 萬畝；玉米劃定面積中：威寧縣“兩區(qū)”劃定面積最大，為27 萬畝，金海湖新區(qū)面積最小，為2 萬畝；油菜重要農(nóng)產(chǎn)品保護(hù)區(qū)（與水稻復(fù)種）劃定面積中：金沙縣“兩區(qū)”劃定面積最大，為11.5萬畝，威寧縣和赫章縣劃定面積最小，為0。

表2 畢節(jié)市“兩區(qū)”劃定結(jié)果

續(xù)表

結(jié)合地理位置、區(qū)域面積等諸多因素分析，由于威寧縣和赫章縣海拔海拔較高，平均海拔2 000 m以上，且水源缺乏，不適宜水稻、油菜生長，因此威寧縣水稻和油菜劃定面積為0畝，赫章縣水稻僅為0.5萬畝，油菜劃定面積為0畝。在10個(gè)縣區(qū)中，威寧縣地域遼闊，玉米和馬鈴薯為威寧縣傳統(tǒng)種植作物，玉米劃定面積最大。而金沙縣、織金縣、納雍縣水源充足，氣候適宜水稻和油菜生長、加上地域面積等因素，因此金沙縣水稻和油菜“兩區(qū)”劃定面積最大、織金縣和納雍縣小麥“兩區(qū)”劃定面積最大。百里杜鵑和金海湖新區(qū)是畢節(jié)市新成立的新區(qū)，區(qū)域面積較小，因此在糧食生產(chǎn)功能區(qū)和重要農(nóng)產(chǎn)品保護(hù)區(qū)劃定任務(wù)面積上均比其他縣區(qū)小。分析劃定結(jié)果及誤差如圖4所示。

圖4 畢節(jié)市“兩區(qū)”劃定結(jié)果及誤差分析

從圖4 中可以看出，除了赫章縣糧食生產(chǎn)功能區(qū)玉米所劃定的面積誤差最大之外，其余縣區(qū)劃定面積基本和任務(wù)面積吻合。赫章縣出現(xiàn)劃定面積誤差大的原因主要是：在勾繪內(nèi)業(yè)時(shí)將未核實(shí)的不適宜種植玉米的地塊劃入，導(dǎo)致劃定結(jié)果中玉米劃定面積誤差過大。

4 “兩區(qū)”劃定的空間數(shù)字化管理平臺模型研究

4.1 “兩區(qū)”片塊和地塊

“兩區(qū)”片塊是指劃定的相對集中連片耕地，具有明確的權(quán)屬人或經(jīng)營主體、管護(hù)主體，便于進(jìn)行統(tǒng)一生產(chǎn)管理。“兩區(qū)”地塊是指在“兩區(qū)”片塊范圍內(nèi)，已扣除農(nóng)村道路、溝渠、水系等線狀地物后，具體的空間種植單元，多個(gè)“兩區(qū)”地塊構(gòu)成“兩區(qū)”片塊，隨著現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的發(fā)展，通過“兩區(qū)”片塊的劃定，可以在線準(zhǔn)確掌握“兩區(qū)”片塊的面積、種植作物類型、涉及農(nóng)戶等信息，同時(shí)預(yù)測作物種植產(chǎn)量、產(chǎn)值、人均收入等信息。

4.2 “兩區(qū)”數(shù)字化管理平臺研究

圖5 為“兩區(qū)”數(shù)字化管理平臺模型，通過“兩區(qū)”劃定可知i 地塊面積Si，涉及人口Pi等信息，根據(jù)片塊信息和地塊信息可對“兩區(qū)”內(nèi)種植情況進(jìn)行測算。

圖5 “兩區(qū)”數(shù)字化管理平臺模型

1）種植面積測算。種植面積為區(qū)域內(nèi)每個(gè)地塊種植面積之和，輸入地塊種植面積Si，導(dǎo)入模型，得種植面積S，公式為

式中：

S——區(qū)域內(nèi)總種植面積，畝；

Si——“兩區(qū)”片塊內(nèi)第i地塊的面積，畝；

n——“兩區(qū)”片塊內(nèi)地塊數(shù)。

2）作物產(chǎn)量測算。結(jié)合各地統(tǒng)計(jì)年鑒數(shù)據(jù)，可測算作物產(chǎn)量，其公式為

式中：

Xij——“兩區(qū)”片塊內(nèi)第i塊“兩區(qū)”地塊種植作物類型為j的畝均產(chǎn)量，kg/畝；

Xj——j類作物產(chǎn)量，kg。

3）作物產(chǎn)值測算。結(jié)合當(dāng)?shù)亟y(tǒng)計(jì)年鑒及市場價(jià)格變化規(guī)律，可得j類作物的單價(jià)Yj，若“兩區(qū)”片塊內(nèi)j類作物產(chǎn)值用Qj表示，則公式為

式中：

Qj——“兩區(qū)”片塊內(nèi)j類作物產(chǎn)值，元；

Yj——j類作物的單價(jià)，元/kg。

4）人均收入測算。人均生產(chǎn)收入公式為

式中：

Z——人均生產(chǎn)收入，元/人；

Pi——第i塊地塊涉及人口數(shù)，人；

m——作物種類數(shù)。

5 結(jié)語

本文結(jié)合農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化發(fā)展趨勢，研究了畢節(jié)市“兩區(qū)”劃定方法，分析了劃定結(jié)果，提出農(nóng)業(yè)數(shù)字化管理平臺模型在“兩區(qū)”上的應(yīng)用，具體結(jié)論如下。

1）畢節(jié)市“兩區(qū)”劃定分為材料準(zhǔn)備、工具準(zhǔn)備、圖件制作、實(shí)地檢驗(yàn)、結(jié)果修正、數(shù)據(jù)建庫、數(shù)據(jù)管理，結(jié)合工作實(shí)際，畢節(jié)市主要劃定為玉米、小麥、水稻糧食生產(chǎn)功能區(qū)265 萬畝和油菜重要農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)保護(hù)區(qū)40 萬畝，其中玉米劃定面積167.1萬畝，小麥劃定面積55.5 萬畝、水稻劃定面積45.4萬畝（含油菜重要農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)保護(hù)區(qū)40 萬畝）。

2）分析研究了“兩區(qū)”劃定數(shù)字化管理模型平臺，“兩區(qū)”大數(shù)據(jù)管理模型能準(zhǔn)確測算出糧食生產(chǎn)總量、總值、人均收入等情況，促進(jìn)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化進(jìn)程中農(nóng)田空間數(shù)字化管理，同時(shí)，也為農(nóng)業(yè)機(jī)械化推廣、農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用提供空間信息支持。